电动车用定子永磁型轴向磁场容错电机及其控制系统研究

This project comes up with a novel fault-tolerant machine with permanent magnets in the stators which is termed as axial field flux-switching fault tolerant(AFFSFT) machine for electric vehicle applications. Incorporated the advanced features of dual stators,one rotor and hybrid excitation, the machine combines the advantages of simple structure and high power/torque density.The two sets of excitation sources including the permanent magnets and the electrically excited winding are provided, and this increases the starting torque and the adjustable speed range of AFFSFT machine. Meanwhile, the fault-tolerant performance of the machine is greatly improved due to the specific structure design. This project aims at studying and analyzing the new topology, design principles, electromagnetic characteristics, accurate calculation of the parameters and the control method of the electric machines. We will extend the research to various aspects including the electromagnetic and optimal design of the machine,the general method of the steady and transient performance analysis of the machine and its control system, the coordination control of the armature and the DC excitation current and the on-line efficiency optimization method, and the fault remedial strategy. The hardware control platform based on the dSPACE will be established. The machine control rules which could satisfy all kinds of operation performance requirements will be determined, and the experiments will be done. The project would resolve the key technique problems such as the designation of stator-PM axial-field fault tolerant machine and the reliability of the control system. These scientific questions will be put forward, and lay the foundation for the future study and application. The object is to supply a new selection schedule for EV drive system, and this is significant in both theoretical and practical aspects.

提出一种新型合理的定子永磁型容错电机结构-轴向磁场磁通切换容错电机。电机采用双定子、单转子结构和混合励磁方式，结构简单、紧凑，功率密度和转矩密度高，永磁体与电励磁绕组提供的两套励磁源，增加了起动转矩,拓宽了调速范围，独特的容错结构设计提高了系统的容错性能。项目研究其新型结构、设计原则、电磁特性、参数准确计算和控制方法，开展电机的电磁设计和优化设计，探求电机及控制系统的稳态和瞬态性能分析的普遍方法，电动机电枢电流、励磁电流协调控制和在线效率优化方法，故障后的容错控制策略，构建以dSPACE为核心的硬件控制平台，制定满足不同性能要求的电机控制规律，进行试验研究，解决定子永磁型轴向磁场容错电机设计、控制系统可靠性等关键技术问题，凝练科学问题，为后续研究和应用奠定基础。该定子永磁型轴向磁场容错电机的研制成功，将为电动汽车驱动系统提供新的备选方案，具有重要的理论意义和应用价值。

近年来，随着电动汽车的发展，对电机驱动系统的安全可靠性提出了很高的要求。电机驱动系统发生故障后，电动汽车仍能可靠行驶，因此，设计具有容错能力的电机本体和控制系统已成为国内外的研究热点。轴向磁场磁通切换容错（Axial Field Flux-Switching Fault-Tolerant ，简称AFFSFT）电机是一种新型轴向磁场永磁电机，该电机结合轴向磁场永磁电机和容错电机的优点，具有轴向尺寸短、体积小、功率和转矩密度大以及容错性能好的特点，适用于直驱电动汽车。论文研究内容主要包括以下几个方面:1.详细分析了AFFSFT电机结构、工作原理及绕组互补性，在此基础上推导了AFFSFT电机的功率方程、定子齿和转子极之间的磁导公式，为电机的设计奠定了理论基础。2.研究了电机定/转子极、裂比（定子内径/定子外径）、定子侧齿宽度、定子中间齿宽度、永磁体厚度、转子极宽、轴向气隙长度、转子极轴向长度等结构参数对电感的影响，在此基础上，以大自感小互感为容错设计目标，优化AFFSFT电机的设计参数，确定电机设计方案，并且利用三维有限元法，研究了AFFSFT电机的静态特性，有限元仿真计算结果验证了设计理论和优化方法的正确性。3.提出不同定子铁芯形状的AFFSFT电机结构，在相同电机外形尺寸的条件下，研究对比不同定子铁芯结构轴向磁场磁通切换容错电机的性能。分析转子极数、定子齿/槽形状、转子极形状对U、C、E不同定子铁芯电机的影响，综合考虑反电动势和齿槽转矩，优化了三种定子铁芯结构电机，对比分析了不同结构电机的电磁性能，验证了E形铁芯AFFSFT电机比其它两种结构电机具有更好的综合性能。4.建立三相AFFSFT电机的数学模型及其MATLAB系统仿真模型，提出AFFSFT电机正常运行和故障容错运行控制策略，通过对电机驱动系统故障前后的仿真分析，验证了AFFSFT电机控制策略的可行性与有效性。5.基于AFFSFT电机结构，提出混合励磁AFFSFT电机，对比两种不同容错电机的拓扑结构，分析了直流励磁电流调节磁场的原理，在6/14极AFFSFT电机设计参数的基础上，对比分析两种拓扑结构容错电机的电磁性能，并通过调节励磁电流实现混合励磁AFFSFT电机的容错控制。6.设计开发了基于dSPACE的硬件电路，搭建AFFSFT电机控制系统实验平台，实验结果验证了电机及其控制系统设计方案的有效性和可行性。